авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Дистанционная диагностика состояния растений на основе метода лазерно-индуцированной флуоресценции

На правах рукописи

Фатеева Наталья Леонидовна

ДИСТАНЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА

СОСТОЯНИЯ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА

ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ

Специальность 01.04.05 – «Оптика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Новосибирск – 2007

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы имени академика В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Матвиенко Геннадий Григорьевич

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Ермаков Игорь Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Евтушенко Геннадий Сергеевич доктор физико-математических наук Прокопьев Владимир Егорович

Ведущая организация:

Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН, г. Москва

Защита состоится 2 марта 2007 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 003.024.01 при Институте лазерной физики СО РАН, по адресу:

630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 13/3.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Института лазерной физики СО РАН, по адресу: 630090, г. Новосибирск 90, просп. Академика Лаврентьева, 13/3.

Автореферат разослан 26 января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н. /Н.Г. Никулин/ Актуальность работы:

Развитие методов и средств мониторинга окружающей среды вызвано осознанием необходимости исследования взаимодействия человека и окружающей его природы, а также контроля над результатами этой деятельности. Особенно важно это для терри торий, связанных с добычей и транспортировкой нефти, а также различных активных химических веществ. В настоящее время в нашей стране и за рубежом для целей мо ниторинга лесных массивов используются контактные методы анализа, а также пас сивные спутниковые методы. Однако существующие контактные методы при их вы сокой точности и селективности исследуемых параметров имеют ограниченную область применения, связанную с трудоемкостью измерений, недоступностью многих точек наблюдения, недостаточной оперативностью анализа1,2.

Методики лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) целых растений и их фрагментов, а также технические средства для таких исследований активно разраба тываются, начиная с восьмидесятых годов прошлого века3. Однако все исследования по количественной и качественной оценке фитомассы лесов с применением лазерных систем сосредоточены сегодня в США, Канаде, Японии, Италии и Германии4.

Для разработки методов дистанционного зондирования древесной растительности на основе ЛИФ-методики важным является исследование и понимание деталей спек тра флуоресценции интактных растений5. В настоящее время в разных странах ведет ся накопление данных по изменению спектров флуоресценции различных пород де ревьев и разрабатываются алгоритмы их интерпретации согласно физиологическим особенностям растений. Однако существует проблема, связанная с различием объек тов исследования, например: видовой состав лесов Японии значительно отличается от видового состава лесов Западной Сибири. Первым и очень существенным следствием этого является слабая изученность флуоресцентных характеристик древесной расти тельности, что приводит к различным затруднениям при интерпретации изменений спектра флуоресценции древесной растительности в ответ на различные неблагопри ятные факторы окружающей среды. Поэтому основной задачей сегодня является вы явление характера и связей параметров при дистанционном измерении лазерно индуцированной флуоресценции с результатами лабораторных экспериментов. Для решения этой задачи необходимы сбор и создание базы данных основных типов спек тральных изменений флуоресценции, зависящих от состояния растительности, сле дующих за изменением условий окружающей среды6,7. Поэтому наряду с лазерными Brach, E.J., Molnar, J.M. Identification of horticultural crops by remote spectroscopic techniques // HortSci. 1977. Vol. 12. P. 50–53.

Brach, E.J., Molnar, J.M., Jasmin, J.J. Detection of lettuce maturity and variety by remote sensing tech niques // J. Agric. Eng. Res. 1977. Vol. 22, № 1. P. 45–54.

Brach, E.J., Klyne, M.A., Phan, T., Jasmin, J.J. Use of laser fluorescence to study lettuce growth and development under controlled environment // Laser Spectrosc. 1978. Vol. 158. P. 156–162.

Saito, Y., Kanoh, M., Hatake, K., Kawahara, T.D., Nomura, A. Investigation of laser-induced fluorescence of several leaves for application to lidar vegetation monitoring // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P.

431–437.

Krajicek, V., Vrbova, M., Laser-induced fluorescence spectra of plants // Remote Sens. Environ. 1994.

Vol. 47. P. 51–54.

Chappelle, E.W., Lichtenthaler, H. (Eds.) Special issue on fluorescence measurement of vegetation // Remote Sens. Environ. 1994. Vol. 47. P. 1–105.

устройствами и методами актуально использование относительно недорогих, про стых, надежных, контактных методов с приемлемой точностью измерений.

Исходя из приведенной выше оценки состояния дистанционных методов диагно стики растений сформулирована следующая цель диссертационной работы:

Адаптировать метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) в красной области спектра для оперативной дистанционной диагностики изменения состояния целых растений в условиях антропогенного загрязнения почвы.



Для достижения данной цели сформулированы следующие основные задачи ис следования:

Показать существование видовой зависимости ЛИФ в период вегетации, включая процесс сезонного увядания для хвойных и лиственных деревьев Западной Сибири.

Выявить особенности ЛИФ хлорофилла у хвойных и лиственных деревьев при увядании, а также сделать оценку информационной значимости флуоресцентных сиг налов растительности на длинах волн 740 нм и 685 нм.

Оценить степень влияния температуры на значения отношения интенсивностей флуоресценции в максимумах на длинах волн 685 и 740 нм (отношения f) для лист венных и хвойных деревьев при дистанционном зондировании в различные периоды вегетации.

Определить основные изменения в спектрах флуоресценции растений при дефи ците микроэлементов питания.

Показать возможность обнаружения методом ЛИФ хлорофилла у растений ранних этапов внешнего физико-химического воздействия по каналам питания.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, сочетаю щий в себе биохимические методы анализа природных пигментов (в частности хло рофилла);

натурные и лабораторные эксперименты;

а также методы математической статистики для обработки экспериментальных данных.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При лазерном зондировании хвойных и лиственных пород деревьев в течение периода вегетации и ширине спектрального интервала детектирования сигналов ли дара от 2 до 6 нм, величина отношений максимумов интенсивностей лазерно индуцированной флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм для березы и осины, произрастающих в средних широтах России, лежит в пределах 3.2 ± 0.4, а для сосны и кедра в пределах 2.1 ± 0.3.

2. При дистанционном зондировании древесной растительности in vivo темпера турную зависимость лазерно-индуцированной флуоресценции можно не учитывать для летнего периода, если температура окружающей среды лежит в диапазоне от + до +240С.

3. Признаком дефицита микроэлементов питания растительности (на примере ку курузы) является смещение максимумов на длине волны 685 и 740 нм в спектре флуоресценции в длинноволновую область спектра в интервале от 2 до 4 нм.

Saito, Y., Kanoh, M., Hatake, K., Kawahara, T.D., Nomura, A. Investigation of laser-induced fluorescence of several leaves for application to lidar vegetation monitoring // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P.

431–437.

4. Оценка значений интенсивностей лазерно-индуцированной флуоресценции рас тений на длинах волн 685 и 740 нм, а также их отношений позволяет идентифициро вать наличие антропогенного воздействия нефтепродуктами или азотосодержащими веществами на почву.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы:

Научные положения и выводы, сделанные в диссертационной работе, следуют из адекватности используемых физических и биологических моделей и методов, что подтверждается сравнением с результатами экспериментальных наблюдений, полу ченными контактным методом. Так, для первого защищаемого положения коэффици ент корреляции между данными, полученными биохимическим методом коллегами из Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС СО РАН) и методом ЛИФ при дистанционном зондировании лиственных и хвойных деревьев За падной Сибири, составил от 0,65 до 0,96.

Достоверность второго защищаемого положения обосновывается данными стати стической обработки генеральной совокупности наблюдений, проводимых в период 2004-2005 годов и подтверждается теоретическими предпосылками (в частности тео рией о температурной зависимости).

Достоверность третьего и четвертого защищаемых положений вытекает из иден тичности механизмов перераспределения энергии в спектре флуоресценции при из менении условий минерального питания и не противоречит результатам других авто ров: Карапетян Н.В., Андриенко О.С., Agati G.

Научная новизна заключается в том, что:

- доказана информативность отношения сигналов ЛИФ хлорофилла для решения задач распознавания хвойных и лиственных типов растительности;

- поставлена задача выявления термозависимости ЛИФ хвойной и лиственной растительности при положительных температурах в весенне-летний период (с мая по сентябрь);

- метод ЛИФ, основанный на анализе отношений максимумов интенсивности флуоресценции древесных растений и значений интенсивности ЛИФ на длинах волн 685 и 740 нм, адаптирован для выявления наличия фактора химико-физического воз действия на растительность и идентификации типа и степени этого воздействия;

- предложено использовать значения флуоресцентных сигналов растительности на длинах волн 740 нм и 685 нм как дополнительного критерия, характеризующего на личие фактора деградации (увядания) растения;

- для разработки алгоритмов идентификации ранних этапов внешнего физико химического воздействия показана целесообразность использования особенностей трансформации спектров флуоресценции растений.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов диссерта ции:

1. Ценность первого защищаемого положения заключается в том, что знание ин тервалов изменения отношения сигналов флуоресценции на длинах волн 685 и 740нм (отношения f), при дистанционном зондировании, позволяет идентифицировать лист венные и хвойные деревья, растущие вблизи города Томска в период с мая по сен тябрь.

2. Второе защищаемое положение позволяет минимизировать число учитываемых параметров для качественной оценки состояния растений, при дистанционном зонди ровании деревьев без потери информативной значимости отношения f.

3. Третье защищаемое положение позволяет использовать модель преобразования в спектрах флуоресценции при дефиците микроэлементов питания для разработки ал горитмов обнаружения антропогенного загрязнения почв.

4. Ценность четвертого защищаемого положения позволяет рассматривать расти тельность в качестве индикатора экологического состояния окружающей среды. Вы явленная временная зависимость между изменениями значений сигнала флуоресцен ции и фактами воздействия загрязнителей на почву как в единичном, так и в многочисленных случаях способна служить основой для создания ранней дистанци онной диагностики лесов.





В диссертации показана возможность диагностики нефтяных и азотных загрязне ний, основанная на лидарном зондировании хвойных и лиственных деревьев, распо ложенных вблизи «зон риска», излучением второй гармоники YAG: Nd лазера, позво лившая существенно повысить чувствительность метода и детектировать фактор стресса на ранней стадии.

Практическая значимость диссертации и использование полученных резуль татов работы состоит в том, что её применение обеспечивает:

– реализацию возможности использования ЛИФ как информационного признака при классификации древесной растительности в период вегетации, – визуализацию процесса пространственного и временного изменения состояния лесных покровов (первое защищаемое положение);

– существенное сокращение трудо- и времязатрат, связанное с дистанционным мониторингом лесов (второе защищаемое положение);

– обнаружение наличия антропогенных загрязнений хвойных и лесных массивов по изменению интенсивности ЛИФ хлорофилла в красной области спектра задолго до появления видимых признаков повреждения, – многофункциональную автоматизацию процесса обработки данных по состоя нию растительности и факту антропогенной нагрузки, – возможность применения лидаров для мониторинга растительности в условиях антропогенного загрязнения почв, – создание рекомендаций для разработки новых алгоритмов и технических средств активного дистанционного зондирования растений (третье и четвертое защи щаемое положение).

Разработка таких рекомендаций и методик позволит создать основу для управле ния запасами лесных ресурсов на уровне сбалансированной экосистемы, а процесс управления экосистемой реализует компромисс трех целей: экологической, социаль ной, экономической.

В данной работе для контроля результатов, полученных при натурных лидарных измерениях и интерпретации сигналов флуоресценции растений, используются дан ные, полученные при широко используемом биохимическом методе.

Внедрение результатов и рекомендации по их дальнейшему использованию:

Исследования по работе поддерживались грантами фонда Министерства Образо вания и Науки РФ:

– Д0044, в рамках целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», travel grant для поездки на международный симпозиум «Photosynthesis», 2000 г.

– В рамках целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002–2006 годы», проведение научных исследований, 2002 г.

– А03-2.9-713 (проект «Дистанционное исследование процессов минерального пи тания и обмена в растениях», 2003–2004 гг).

– В рамках целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002–2006 годы» travel grant для поездки на международный симпозиум «Remote Sensing», РФФИ:

– 98-04-03099, «Сибирь-98», «Разработка методологии наземного и аэрокосмиче ского мониторинга состояния и трансформации древесной растительности таежной и горной зон Западной Сибири», 1998–2000 гг., исполнитель.

– 03-05-64228-а, «Физические основы лазерного фемтосекундного зондирования атмосферных аэрозолей», 2003–2005 гг., исполнитель.

– 05-04-58911-з, travel grant для поездки на международный симпозиум «Remote Sensing» 2005 г., руководитель.

– 06-05-64799-а, «Оптика мощных фемтосекундных лазерных импульсов в атмо сфере», 2006–2008 гг., исполнитель.

SPIE:

– SPIE travel grant для поездки на международный симпозиум «Remote Sensing», 2005 г., руководитель.

Программы СО РАН:

– Проект 3 «Изучение процессов флуоресценции и комбинационного рассеяния лучистой энергии видимого и УФ-диапазона атмосферными и антропогенными газа ми для целей мониторинга и дистанционного анализа состава среды». 2003 г., испол нитель – Приоритетная программа «12.3 Физика атмосферы и окружающей среды», ис полнитель.

Материалы диссертации в частях, касающихся видовой классификации древесной растительности и обнаружения антропогенных выбросов с использованием флуорес центных лидаров, используются в учебном процессе в курсе «Оптические методы из мерений в экологии», а также в семинарских занятиях по этому курсу, читаемому для студентов кафедры космической физики и экологии радиофизического факультета Томского государственного университета. Имеется справка ТГУ.

В научно-исследовательской работе (НИР) по теме: «Аксис-ИОА», в Институте оптики атмосферы СО РАН (ИОА СО РАН) в частях «Экспериментальные исследо вания процессов изменения вторичного метаболизма растений в стрессовых услови ях» и «Проведение натурных экспериментов по измерению вторичных метаболитов растений», а также по теме: «Исследование проблемы дистанционного детектирова ния паров взрывчатки в атмосфере и воздействие на растительность», при описании влияния антропогенных загрязнений по каналам питания на трансформацию спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений использовались результаты дис сертации. Имеется справка ИОА СО РАН.

Результаты диссертационной работы целесообразно также использовать в НИР на биологическом факультете Московского государственного университета (МГУ), на радиофизическом факультете Томского государственного университета, в Институте оптики атмосферы, а также в других организациях, где занимаются дистанционным мониторингом растительности с применением лидаров.

Апробация работы и публикации:

Результаты работы докладывались на 17-ти международных, 4-х всероссийских и 2-х региональных конференциях.

Обсуждались на семинарах кафедры физиологии растений, биологического фа культета МГУ и отдела теоретических и прикладных проблем дистанционного зонди рования Института космических исследований МОиН РК (Алматы, Казахстан).

По результатам работы опубликовано более 30 работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в трудах SPIE, 8 статей в материалах и трудах меж дународных конференций.

Характеристика личного вклада соискателя:

Основные результаты диссертационной работы получены автором лично как в индивидуальных, так и в коллективных исследованиях. Постановка задачи была предложена научным руководителем. Техническая реализация флуоресцентного ли дара выполнена сотрудниками лаборатории лидарных методов Института оптики ат мосферы СО РАН. Оборудование для проведения лабораторных исследований пре доставлено биологическим факультетом МГУ. Данные по концентрации хлорофилла для сравнительного анализа дистанционных измерений с измерениями, проведенны ми контактным методом, предоставлены коллегами из лаборатории дендрологии Ин ститута мониторинга климатических и экологических систем СО РАН.

Объем и структура диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения;

общий объем работы – 123 страницы;

работа содержит – 6 таблиц и 44 рисунка;

список ци тируемой литературы включает – 138 наименований.

Краткое содержание диссертационной работы по главам:

Во введении сформулирована актуальность проблемы, ее состояние в настоящее время. Изложена суть поставленной научной задачи, представлена цель исследования, указаны направления и методы решения, приведено поглавное содержание работы.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы исследования растительности дистанционными методами. Определен объект исследования, показа ны существующие проблемы лазерного дистанционного зондирования растений. Рас смотрены некоторые известные технические средства и методы, особое внимание уделено лазерным системам, предназначенным для регистрации флуоресценции рас тительности.

Выполнен анализ погрешностей при лидарных исследованиях состояния расте ний. Показаны предельные значения отношения между флуоресцентной и фоновой составляющими общего сигнала. Приведены основные виды шумов при лазерном зондировании растений. Даны рекомендации для учета шумов в лидарном уравнении.

Рассмотрены основные физические процессы взаимодействий лазерного излучения с растительностью, в том числе процессы диссипации энергии возбужденных состоя ний молекул хлорофилла.

Приведен общий вид лидарного уравнения, связывающего обратно рассеянный сигнал с оптическими свойствами исследуемых объектов. Адаптировано уравнение лазерной локации для флуоресцентного лидара (флидара). Описаны методические особенности организации и проведения экспериментальных исследований древесной растительности с использованием метода ЛИФ хлорофилла.

По результатам литературного анализа сделан следующий вывод: при мониторин ге растительности приемный канал флидара должен быть настроен на детектирование сигналов флуоресценции в области 685 и 740 нм.

Выбор длин волн связан со спектральными особенностями исследуемого объекта.

С учетом этого, уравнение лазерной локации8 для флидара принимает следующий вид [1]:

532 1 (532) A 1T (532)T (685), F (685) = PL (532) (1) 4 R 532 1 (532) A 2T (532)T (740), F (740) = PL (532) (2) 4 R где:

PL–мощность лазерного импульса;

– альбедо зондируемой растительности;

А– площадь приемного объектива;

R– расстояние до исследуемого растения;

1,2– квантовый выход флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм;

Т(532),Т(685),Т(740) – прозрачности слоя атмосферы между флидаром и иссле дуемым растением на соответствующих длинах волн (=532 нм – длина волны зонди рующего излучения, =685 и 740 нм – длины волн флуоресценции).

Излучение, детектируемое в приемном тракте, на зондирующей длине волны опи сывается следующим выражением:

A F (532) = PL (532) T (532)d (532), R где d – коэффициент отражения исследуемого растения.

Коэффициент отражения d и альбедо связаны между собой как величины, ха рактеризующие рассеяние в одном направлении (в данном случае назад) и рассеяние во всех направлениях. В общем случае, эта связь может быть достаточно сложной (например, облачные покровы и водные поверхности)9. Но для отдельных моделей поверхности связь d и получает конкретную форму. В частности, растительные по кровы в условиях широких оптических пучков удовлетворительно описываются лам бертовской моделью. С учетом этого уравнение (3) принимает вид:

(532) A F(532)=PL (532) T (532). (3) R Рассмотрим отношение выражений (1) к (3), и (2) к (3):

Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование // Пер. с англ. М: «Мир», 1987. 550 с.

Здесь и далее в квадратных скобках указываются ссылки на работы автора.

Кондратьев К.Я, Миронов З.Ф. Спектральное альбедо естественных подстилающих поверхностей// Проблемы физики атмосферы. 1965. Вып.3. С. 18–27.

F (685) 1 1 (532) T (685) =, (4) F (532) 4 (532) T (532) F (740) 1 1 (532) T (740) =, (5) F (532) 4 (532) T (532) f=F(685)/F(740)=T(685)1/ T(740)2.

Анализируя последнее выражение, можно отметить, что величина f прямо про порциональна отношению квантовых выходов флуоресценции 1 и 2 и не зависит от альбедо растительного покрова и энергетических характеристик лидара.

Суммарная погрешность величины отношения f для всех экспериментальных дан ных в этой работе не превышает 10%.

Результаты экспериментальных исследований, приведенные в работе, были полу чены на флуоресцентном лидаре [2], основными конструктивными элементами кото рого являются: импульсный лазер, селектирующий спектральный прибор, приемник, система преобразования, обработки и хранения данных. Импульсный характер зонди рующего излучения и его интенсивность (1-3 КВт/см2) обеспечивают анализ быстрой флуоресценции и одновременно дают возможность не выходить за рамки линейного взаимодействия оптического излучения с растительными структурами10. Флуорес центный лидар предназначен для проведения исследовательских работ по контролю состояния растительных массивов методом оптической локации. Лидар регистрирует мощность излучения люминесценции (флуоресценции) хлорофилла растений.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных дистанционных измерений интенсивности ЛИФ древесной растительности в течение периода вегета ции. Показаны доминирующие факторы влияния на значения ЛИФ для растений in vivo.

Интенсивность индуцированной лазером флуоресценции исследованных листвен ных деревьев превышает флуоресценцию хвойных видов деревьев во всем периоде наблюдений на протяжении нескольких лет и для разного возраста деревьев. Этот от личительный признак позволяет использовать флуоресцентные характеристики для идентификации типа лесов, точнее, отличия хвойного покрова от лиственного.

В результате многолетних наблюдений были подготовлены материалы для созда ния баз данных по диапазонам изменения отношения f. Анализ полученных материа лов показал, что наибольший диапазон изменений отношения f для лиственных рас тений приходится на июль и связан с образованием максимального количества исследуемого флуоресцирующего вещества (хлорофилла) у растений (рис.1). В таб лице 1 представлены значения средних показаний отношения f для лиственных и хвойных деревьев для каждого месяца, в период с мая по сентябрь. В работе предло жено для измерений в мае и сентябре (эти месяцы характеризуются появлением пер вой листвы и её деградацией), проводить дополнительный анализ сигналов флуорес ценции, связанный с анализом поведения интенсивности флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм.

Так как период деградации растений связан с разрушением флуоресцирующего вещества и наступает вследствие как естественного вегетационного увядания, так и Matvienko G.G., Grishin A.I., and others. Application of laser-induced fluorescence for remote sensing of vegetation // Opt. Eng. 2006. Vol. 45. P. 056201–056206.

увядания в результате физического 7 4, воздействия (механического по концентрация хлорофилла, мг/г 3, вреждения), нами были исследова 5 ны временные зависимости сигна отношение f.

лов флуоресценции для данного 2, случая [3,4].

1, береза (отношение f) На рисунке 2 представлена вре осина (отношение f) менная зависимость отношения береза (концентрация) 0, осина (концентрация) сигналов флуоресценции березы, 0 осины, кедра и сосны на длинах 14 мая 2 июня 16 июня 25 июня 1 июля 11 июля 26 июля сентября волн 685 и 740 нм.

дата измерений Анализ данных дистанционных а измерений сигналов флуоресцен 3,5 2, ции показывает, что значения ин 3 1, концентрация хлорофилла, мг/г тенсивностей флуоресценции для 2,5 1, длин волн 685 и 740 нм существен отношение f.

но различается [5–7]. Отметим, что 2 1, при качественном совпадении вре 1,5 0, менного хода флуоресценции на сосна (отношение f) 1 0, кедр (отношение f) длине волны 685 нм у кедра и со сосна (концентрация) 0,5 0, сны, величины интенсивности су кедр (концентрация) щественно отличаются, что позво 0 20 апреля 14 мая 2 июня 16 июня 25 июня 1 июля 11 июля 26 июля ляет использовать этот сигнал для сентября дата измерений б идентификации типа растительно Рисунок 1 - Временной ход отношения флуоресцент- сти. А значение флуоресценции на ных сигналов f = F(685)/F(740) и концентрации хлоро длине волны 740 нм имеет количе филла для березы, осины (а) и кедра, сосны (б)(1999 ственное совпадение интенсивно 2000 гг.) Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по- сти. Максимальное значение ин грешности измерений отношения f. Цифрами указаны тенсивности флуоресценции, точки, взятые для сравнения которое наблюдалось в экспери менте, на длине волны 685 нм у об разцов хвойных деревьев превышает начальное значение почти в два раза и в 1,5 раза у лиственных деревьев. В то время как максимальный сигнал, который наблюдался в Таблица 1. Средние значения отношения f для хвойных и лиственных деревьев Западной Сибири по месяцам Лиственные (береза, осина) Хвойные (сосна, кедр) Дов. интервал для Дов. интервал для месяц Среднее вероятности 0,95 Среднее вероятности 0, май 3.3 0.4 2,2 0, июнь 3.6 0.2 2,1 0, июль 3.1 0.7 1,8 0, август 3.3 0.3 2,1 0, сентябрь 2.9 0.3 2,3 0, Kharchenko O.V., Grishin A.G., Matvienko G.G. (Eds.). Chlorophyll content research using spec troscopic and laser-induced fluorescence techniques // SPIE Preceding on “Atmospheric and ocean optics:

Atmospheric physics”. 2001. Vol. 4678. P. 471–477.

эксперименте, на длине волны 740 нм имел значение, на 50 % превышающее началь ное для всех экспериментальных образцов.

Значение интенсивности сиг 1, нала флуоресценции на длине осина F(685)/F(532) отношение сигналов флуоресценции осина F(740)/F(532) 1, волны 685 нм у березы и осины в береза F(685)/F(532) конце эксперимента уменьшается 1 береза F(740)/F(532) на 20% по сравнению со значени 0, ем в начале эксперимента. В то 0, время как у хвойных деревьев уменьшение составило 40%. Зна 0, чение интенсивности сигнала 0, флуоресценции на длине волны 740 нм у сосны и кедра в конце 0 5 10 15 20 эксперимента уменьшается на дни измерений 30% по сравнению со значением в а начале эксперимента. У листвен 0, ных деревьев уменьшение наблю отношение сигналов флуоресценции кедр F(685)/F(532) далось на 15%.

0,6 кедр F(740)/F(532) Из рассмотренного выше экс сосна F(685)/F(532) 0,5 сосна F(740)/F(532) периментального материала, 0,4 можно сделать следующий вывод:

сигналы, регистрируемые на 0, нм, характеризуются, во-первых, 0, максимальными видовыми разли чиями (по интенсивности), то есть 0, являются индивидуальной харак теристикой для каждого вида рас 0 5 10 15 20 тительности, а во-вторых, обла дни измерений дают наибольшей изменчивостью б Рисунок 2 – Временной ход сигналов флуоресценции на по сравнению с сигналами на длине волны 685 нм и 740 нм для образцов лиственных нм, в-третьих показывают, что (а) и хвойных (б) деревьев, нормированных на значение различные растения по-разному опорного сигнала на длине волны 532 нм реагируют на стрессовый фактор, Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по- связанный с увяданием. Так, наи грешности измерений отношения f большей чувствительностью об ладают лиственные деревья, а наименьшей – хвойные. Поэтому анализ кинетики флуоресцентных сигналов может дать не только информацию о состоянии растения, но и использоваться для определе ния устойчивости растения к различным стрессовым факторам.

В литературе приводится много подтверждений о линейной зависимости ЛИФ хлорофилла от температуры. Однако в большинстве опубликованных работ учитыва ется не температура окружающей среды, а температура поверхности зеленого листа или раствора хлорофилла. Нами экспериментально было показано, что линейным для дистанционного зондирования растений in vivо можно считать только промежуток при температурах от +3 и выше. Этот промежуток не только является линейным, но и мало зависящим от температуры, т.к. лежат в пределах ошибки измерения. Отметим, что максимальная температура, зафиксированная нами при проведении эксперимен тов составила +23,8 С. На рисунке 3 представлена кривая, описывающая зависимость отношения f от температуры для хвойных и лиственных деревьев.

На протяжении всех экспери ментов была отмечена положи 4, тельная корреляция между концентрацией хлорофилла и 3, отношением флуоресцентных отношение f сигналов f = F(685)/F(740) (рис.4).

2, Погрешность измерений концен трации хлорофилла здесь и далее 1, не превышает 1,5%. Необходимо лиственные отметить, что аналогичные ре хвойные 0, зультаты были получены и дру гими авторами для других объек -10 -5 0 5 10 15 20 тов исследования (других температура, С растений).

Рисунок 3 – Отношения сигналов флуоресценции хлоро Итак: анализ эксперименталь филла F(685)/F(740) для хвойных и лиственных растений при различных температурах окружающей среды в ве- ных данных показывает, что от ношение f является индивидуаль сенне-летне-осенний период Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по- ной характеристикой вида грешности измерений отношения f растительности, не зависит от температуры окружающей среды в пределах от +30 до 240 С и изме няется в течение вегетационного R = 0, периода. При этом диапазон из менения между лиственными де R = 0, отношение f ревьями и хвойными не береза перекрывается.

осина Третья глава посвящена ана сосна кедр R = 0, лизу флуоресцентных сигналов Линейный (береза) R = 0, при различном минеральном пи Линейный (осина) 1 Линейный (кедр) тании растений. Нами экспери Линейный (сосна) ментально показано, что при из 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4, менении состава грунта или концентрация хлорофилла, мг/г Рисунок 4 – Зависимость отношения f от концентрации питательного раствора, на кото ром произрастает растение, про хлорофилла у лиственных и хвойных растений Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по- исходит трансформация полос грешности измерений отношения f пигментов в спектрах флуорес ценции растений. Так, при отсут ствии железа в питательной среде кукурузы (рис. 5) происходит увеличение интен сивности флуоресценции в красной области спектра в 3 раза для длины волны 685 нм Saito Y., Saito R., Kawahara T. D., Nomura A., Satomi T. Development and performance characteristics of laser-induced fluorescence imaging lidar for forestry applications // Forest Ecology and Management.

2000. Vol. 128. P. 129–137.

и в 2,5 раза для длины волны 740 нм. Также необходимо отметить, что происходят перераспределение энергии внутри спектра и смещение максимумов сигналов флуо ресценции в область длинных волн. При этом отсутствие железа вызывает замедление роста и развития растений.

Таким образом, результаты -Fe экспериментальных исследований интенсивность флуоресценции,от.ед 120 контроль ны е [8] показывают зависимость со C aS О стояния зеленых растений от ус ловий минерального питания. Эта зависимость и связанный с ней эффект трансформации максиму мов полос в спектрах флуорес ценции зеленых растений опреде ляются процессами изменения миграции энергии в электронно транспортной цепи фотосинтеза.

620 640 660 689 700 712 722 740 760 780 длина волны (нм ) Следующий цикл измерений а связан с экспериментальными ис следованиями отношения сигна интенсивность флуоресценции, от.ед -Fe лов флуоресценции f= 120 контроль ны е =F(685)/F(740) древесной расти C aS o тельности Западной Сибири, на примере кедра, при попадании нефтесодержащих веществ в поч ву [9,10,11].

Выбор кедра в качестве объ екта исследования обусловлен ус тойчивостью хвойных деревьев к 620 640 660 697 700 720 737 760 780 атмосферным и гидрологическим длина волны, нм загрязнениям. С целью выяснения б влияния нефтепродуктов как Рисунок 5 – Спектры флуоресценции проростков кукуру зы при разных условиях питания, измеренные 6 декабря стрессового фактора на древес (15-дневные проростки кукурузы) (а) и 18 декабря (27- ную растительность, рассмотрен временной ход отношения флуо дневные проростки кукурузы) (б) 2002 года ресценции f = F(685)/F(740) у кедра (рис. 6), а также изменение содержания хлорофилла в иголках через 10 дней по сле каждого полива (рис.7).

После первого полива и первого периода наблюдений за саженцами никаких ви димых изменений не наблюдалось. Однако было замечено, что флуоресцентный сиг нал от экспериментальных образцов (через 3 дня после полива) увеличился почти в два раза, отношение f составило 2,62 и 1,81 соответственно. После увеличения объема загрязняющего вещества в три раза, к концу десятидневного периода появились пер вые визуальные признаки повреждения саженцев. Флуоресцентный отклик экспери ментальных образцов уменьшался на 60 %, а концентрация хлорофилла на 8 %. Такие изменения вызваны разрушением флуоресцирующего вещества (хлорофилла), с од ной стороны, и адаптационными процессами в растении, с другой стороны.

Дальнейшее увеличение объе ма загрязняющего вещества при вело к падению сигнала флуорес 2, ценции f экспериментальных образцов на 50 % от значений отношение f второго цикла и более 200 % по 1, сравнению с начальными значе 10 мл 30 мл ниями.

Устойчивый процесс падения 50 мл 70 мл отношения f возможно объяснить 0, уменьшением содержания хлоро филла (на 9 % по отношению ко 1 3 6 10 13 16 20 25 30 второму периоду и на 16 % в дни измерений Рисунок 6 – Временной ход отношения сигналов флуо- сравнении с началом эксперимен ресценции хлорофилла f = F(685)/F(740) саженцев кедра, та) и существенными поврежде подверженных воздействию «нефтяной грязи» ниями фотосинтетического аппа Примечание: Цифрами указаны объемы «нефтяной гря рата. В том случае, когда уровень зи», вносимые в почву. Вертикальные отрезки показы воздействующего фактора пре вают погрешность отношения f вышает адаптационные возмож ности биосистемы, развивается 1,4 неспецифическая реакция дегра концентрация 1, дации растительного организма.

отношение f 2, Так, для четвертого периода, ха концентрация, мг/г.

рактеризующегося засыханием отношение f 0, растения, отношение f уменьши 1, лось в 10 раз, а концентрация 0, хлорофилла – в 2 раза по сравне 0, нию с первым периодом.

0, Поскольку для дистанционно 0, го зондирования растений важны 0 изменения сигналов флуоресцен 1 2 3 периоды измерений ции объектов исследования до Рисунок 7 – Отношения сигналов флуоресценции хлоро- появления визуальных признаков филла f = F(685)/F(740) и концентрации хлорофилла у нарушений, нами были измерены саженцев кедра, измеренные с периодичностью 10 дней спектры флуоресценции саженцев после внесения «нефтяной грязи» в почву Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по- кедра в первые 10 дней с начала эксперимента. Представленные на грешности измерений отношения f рисунке 8 результаты получены с помощью флуоресцентного лидара [12]. Данные рисунка свидетельствуют о значи тельном увеличении интенсивности флуоресценции на длине волны 685 нм (в 2 раза) по сравнению с интенсивностью на длине волны 740 нм (на 30%).

Дальнейшие экспериментальные исследования, связанные с обнаружением азото содержащих загрязнителей, показали, что содержание легкогидролизуемого азота в почве видоспецифично и зависит от количества загрязняющего вещества (рис. 9) [13 14]. При концентрациях загрязняющего вещества на уровне ПДК, отношение f для березы увеличивается уже на второй день, но затем нормализуется и в течение всего эксперимента имеет временной ход, идентичный вегетационному ходу для березы в это время года. Для кедра поведение отношения f имеет другой вид, характеризую щийся стабильным увеличением сигналов флуоресценции. Аналогичная картина по лучена и для высоких концентраций легкогидролизуемого азота в почве у кедра. От личие лишь в том, что при высоком уровне загрязнения грунта значение сигнала флуоресценции увеличивается в среднем на 10 %, а при оптимальных на 6 %.

При высоких концентрациях загрязняющего вещества для бе 1,2 норм альные у ловия питания резы, её отношение f увеличива аном альные у ловия питания сигнал флуоресценции, от.ед.

1,0 ется в первую неделю на 60 %, за тем наступают стадия адаптации, 0,8 деградации и дальнейшая гибель растения. Такие различия в пове 0,6 дении отношения f можно объяс 0,4 нить более активным потреблени ем почвенного азота березой по 0,2 сравнению с кедром. Следует об 0,0 ратить внимание, что высокие до 636 650 664 678 692 706 720 734 748 762 776 790 зы удобрения увеличивают со дли н а во лн ы, н м держание легкогидролизуемого Рисунок 8. Спектр флуоресценции контрольных и экспе- азота в почве в первую очередь у риментальных саженцев кедра подверженных воздейст- березы, вызывая тем самым уве вию «нефтяной грязи»

личение отношения максимумов Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по сигнала флуоресценции на длинах грешности измерений отношения f волн 685 и 740 нм, а затем уже у кедра.

Появление максимумов ЛИФ на 7–14 день после первого полива связано с замед лением процесса усвоения азота у саженцев кедра по сравнению с березой.

Итак: значения сигнала флуоресценции у лиственных и хвойных растений при за грязнении почвы нефтесодержащими и азотосодержащими веществами зависят от до зы загрязнения и его продолжительности. Главная особенность этих измерений свя зана с возможностью установить наличие загрязняющего вещества в почве по изменению сигналов флуоресценции растений даже в отсутствие визуальных призна ков повреждения. Это свидетельствует о потенциальных возможностях использова ния флидара в целях экологического мониторинга растительности.

В заключении сформулированы следующие основные выводы по результатам диссертационного исследования:

1. При дистанционном зондировании растений с использованием метода ЛИФ возможно сделать качественную оценку состояния растительного покрова в различ ные периоды вегетации, определив при этом тип растительности. Величина интен сивности флуоресценции растений, её амплитуда и длины волн максимумов зависят от общего состояния растения и внешних физико-химических воздействий.

2. Для определения видовой принадлежности объекта исследования необходим анализ отношения f = F(685)/F(740). В работе рассчитаны средние значения этого от ношения для березы, осины, сосны и кедра, произрастающих на территории г. Том ска. Полученная зависимость сигнала флуоресценции от концентрации хлорофилла может быть использована как дополнительный фактор при определении видового со става древесной растительности. Показано и обоснованно, что в весенне-летне осенний период, при положительных температурах (в диапазоне от +30 до +240 С) влияние физико-химических воздействий на растения, а следовательно, и на величину отношения f более существенное (от 30 до 50 %), чем существующая температурная зависимость, значения которой лежат в пределах 10%. Однако при отрицательных температурах температурная зависимость значительно (до 30 %) увеличивается.

3. Изменение состава почвы или другого питательного грунта оптима вызывает перераспределение ин 2, высокая нормированное отношение f тенсивности флуоресценции внутри спектра и смещение мак 1, симумов сигналов ЛИФ хлоро филла в длинноволновую область 1, спектра.

4. Изменения физиологическо го состояния, вызванные попада нием нефтесодержащих веществ в 0, почву, непосредственно отража 20 июля 25 июля 30 июля 4 августа 9 августа дата измерений ются на значениях интенсивно а стей максимумов спектра флуо ресценции и зависят от дозы загрязнителя, при этом отмечают 2, нормированное отношение f ся значительные увеличения зна оптима чения отношения f = F(685)/F(740) 1,8 высокая в отсутствие визуальных призна ков повреждения, в том числе из 1, менений концентрации хлоро филла.

5. Показано, что изменение отношения f=F(685)/F(740), при 0, 20 июля 25 июля 30 июля 4 августа 9 августа наличии азотных загрязнений, в дата измерений первую очередь проявляется у ли б Рисунок 9 – Значения отношения F(685)/F(740) для оп- ственных (береза), а хвойные про тимальных и высоких доз легкогидролизуемого азота в являют большую устойчивость.

почве при нормировке на контрольные измерения для Изменение отношения f хвойных кедра (а) и березы (б) за 14 дней эксперимента про Примечание: Вертикальные отрезки соответствуют по изошло в 2 раза, в то время как у грешности измерений отношения f лиственных изменение f в два раза можно было зарегистрировать уже на третий день после первого внесения загрязняющих веществ в почву.

Отношения сигналов ЛИФ на длинах волн 685 и 740 нм, вместе со значениями на каждом канале, специфичны для каждого типа загрязнений и позволяют идентифици ровать степень угнетенности растения.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Фатеева Н.Л., Матвиенко Г.Г., Гришин А.И., Романовский О.А., Харченко О.В., Зотикова А.П., Воробьева Н.А. Исследование флуоресценции хлорофилла индуци рованной лазерным методом // Сборник трудов VI всероссийской школы-семинара “Люминесценция и сопутствующие явления”, Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000.– С. 189– 193.

2. Фатеева Н.Л., Матвиенко Г.Г., Гришин А.И. Изучение лазерно-индуцированной флуоресценции хлорофилла для дистанционного исследования растительных по кровов // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых “Материалове дение, технологии и экология на рубеже веков”.– Томск, 2000.– С. 261–263.

3. Фатеева Н.Л., Матвиенко Г.Г. Лидарное исследование спектров флуоресценции хлорофилла в растениях // Сборник статей молодых ученых II Международной школы «Физика окружающей среды».– Томск, 2000.– С. 111–113.

4. Фатеева Н.Л. Анализ возможностей использования методов лазерного дистанци онного зондирования в исследованиях физиологических функций растений // Тру ды Всероссийской конференции молодых ученых “Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии”.– Томск, 2003.– С. 277–279.

5. Шульгина Л.А., Фатеева Н.Л. Изменение лазерно-индуцированной флуоресцен ции хлорофилла в условиях водного стресса // Материалы IV Международной шко лы молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды».– Томск, 2004.– С. 73–75.

6. Шульгина Л.А., Фатеева Н.Л. Индуцированная лазером флуоресценция древес ной растительности // Известия высших учебных заведений. Физика (Приложение).– 2005.– №6.– С. 151–152.

7. Fateyeva N.L., Matvienko G.G., Shul’gina L. A. Nondestructive methods for early detection of damage to living plants // SPIE Preceding on “Remote Sensing”.– 2004.– Vol. 5568– P. 189–196.

8. Fateeva N.L., Matvienko G.G. Application of the method of laser-induced fluorescence // SPIE Preceding on “Remote Sensing”.– 2003.– Vol. 5232.– P. 652–657.

9. Фатеева Н.Л., Матвиенко Г.Г., Гришин А.И., Зотикова А.П., Бендер О.Г. Измене ние спектров лазерно-индуцированной флуоресценции хлорофилла под воздейст вием факторов окружающей среды // Труды Международной конференции “Мате матические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды”.

Москва, 2001.– С. 114–118.

10. Фатеева Н.Л., Матвиенко Г.Г., Шульгина Л.А. Исследование взаимодействий и интеграции физиологических функций растений методами лазерно индуцированной флуоресценции // Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды».– Томск, 2004.– С. 5–8.

11. Шульгина Л.А., Фатеева Н.Л. Флуоресцентные методы исследования раститель ности // Сборник трудов IX Международной школы-семинара по Люменисценции и лазерной физике. ЛЛФ-2004.– Иркутск: Изд-во ИГУ, 2005.– С. 152–156.

12. Агеев Б.Г., Зотикова А.П., Капитанов В.А., Климкин А.В., Климкин В.М, Мака гон М.М., Матвиенко Г.Г., Понаморев Ю.Н., Фатеева Н.Л. Комплексный стенд оптической диагностики биосистем // Оптика атмосферы и океана. –2007. – Т. 20, № 1. – С. 90 – 95.

13. Фатеева Н.Л., Климкин А.В., Бендер О.В., Зотикова А.П., Ямбуров М.С. Иссле дование лазерно-индуцированной флуоресценции хвойных и лиственных растений при азотном загрязнении почвы // Оптика атмосферы и океана. – 2006. – Т. 19, № 2 3. – С. 212–215.

14. Matvienko G.G., Timofeev V.I., Grishin A.I., Fateyeva N.L. Lidar fluorescent method for remote monitoring of the effects on the vegetation // SPIE Preceding on “Remote Sensing”.– 2006. – Vol. 6367. – 63670F. – 9 p.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.